国防科大亚克级扑翼机器人实现无缆定高飞行

在微型机器人领域，如果把重量限制在不到1克，也就是亚克级，造出一台能飞的扑翼飞行机器人，是一项极具挑战的工程难题。

因为重量极度受限，它无法携带大容量电池，也塞不进复杂的飞控芯片。为了让它离地，以往的方案往往只能妥协，要么做“系留飞行”，身后拖着供电线；要么靠地面激光持续照射供能，光源一移开就立刻掉落。稍重一些的2.1克版本，如丰田Tobot-BAT）虽然带上了电池，但完全放弃了姿态控制，只能算短暂的无控起飞。

短暂离地，与持续、稳定地自主飞行，在工程实现上是两个完全不同的量级。

近日，在国际顶级期刊《Nature Communications》上，来自国防科技大学微系统技术实验室与湖南MEMS研究中心的团队，发表了一款全新扑翼飞行机器人的研究成果。

这只翼展仅6.8厘米的机器人，整机重量仅984毫克。在不接外部线缆、完全依靠自带3.7V锂电池供电的情况下，它不仅持续飞行了超过240秒（4分钟），最高飞到了10米以上，甚至还能实现定高悬停。

在严苛的重量约束下，这款扑翼飞行机器人是如何完成系统级集成的？

对于扑翼飞行机器人来说，首要解决的是高效动力输出。传统直线双驱结构在压电陶瓷片高频振动时，容易引发机身共振，大量能量损耗在机身的无谓振动中，导致升力受限。

这款代号为“FwW-Fly”的机器人，采用了十字形四压电直驱V翼结构。其核心原理借用了声学中的“音叉振动模态”，四个正交分布的压电驱动模块对称振动，有效抵消了机身的扭转与耦合损耗。

这种设计将原本内耗的振动能量，转化为翅膀高效的“全周向扑动”。数据显示，其有效扑动角达到了13.3°；在同等驱动电压下，最大升力达到了传统线性结构的2.55倍，足以抬起1850毫克重物。

这意味着，飞行器自身的机械本体（重389毫克）具备了足够的升力冗余，能够承载电池与电路系统。

气动效率解决后，驱动电路是下一个门槛。压电陶瓷驱动器需要上百伏的高压，而微型机器人只能搭载3.7V的微型锂电池。如何实现升压，并将电路做得极轻？

团队研发了一款毫克级高压驱动与控制电子系统（HVDCE）。这块双层柔性电路板面积仅 9毫米×10毫米，重量173毫克。它通过前级反激升压与后级全桥逆变电路，将3.7V直流电转换为200V-300V的交流正弦波，整体驱动效率达到了45%。

此外，该系统高度集成了单片机、蓝牙通信模块，以及一颗关键的ToF（飞行时间）激光测距传感器。这套微型电子系统不仅解决了高压驱动问题，还构成了扑翼飞行机器人的感知与交互中枢。

在不到1克的机体里，增加复杂的飞控算力是极其困难的。团队在姿态稳定上，采取了“被动物理机制为主”的策略。

因为加装了电池和电路，机器人的重心不可避免会发生偏移。为了抵消这种失稳，团队在顶部安装了一根70毫米长的带有圆柱形气动阻尼器的碳纤维阻尼臂。

当扑翼飞行机器人发生倾斜时，空气阻力会自然产生一个恢复力矩，将其推回竖直状态。这种纯物理的气动被动自稳设计，大幅降低了对主动控制算法的依赖，同时赋予了机器人一定的抗扰动能力。

有了稳定的姿态后，还需要高度感知。机身底部的ToF传感器以100Hz的频率进行激光测距，飞控以50Hz的频率动态调整驱动电压，形成闭环。在实测中，扑翼飞行机器人不仅在100厘米高度实现了悬停，在50厘米高度更是稳定悬停了超过1分钟，没有明显的高度漂移。

当然，论文也指出了当前的局限。受限于驱动电路5-10V的最小调压步进，悬停时会有几厘米的上下波动；同时，由于四个压电执行器存在微小的物理差异，机器人在悬停时仍存在缓慢的偏航现象。但在亚克级系统下，这已经是系统级控制的重要进展。

这项论文的主要突破，在于它跑通了“亚克级+无缆+定高”的系统闭环。纵观国内扑翼飞行机器人研究，不同顶尖团队基于不同的重量与应用目标，已呈现出清晰的差异化布局。

从依赖外部激光的短暂离地，到自带电池完成数分钟的稳定飞行，亚克级扑翼飞行机器人终于摆脱了线缆的束缚，跨过了从实验室演示走向实用化探索的门槛。

目前，它在闭环定高状态下的功耗约为634毫瓦，电池续航能力大约为125秒，距离长时间自主作业仍有距离。但这项研究验证了系统级集成的可行性——在不到1克的物理躯壳里，装下电池、电路、传感器并实现稳定飞行，在工程上完全可行。

未来，随着电池能量密度的提升与芯片级电路设计的引入，这种能够在狭小空间内执行任务的扑翼飞行机器人，有望在灾后搜救、受限空间巡检等领域，发挥出大型机器人难以替代的作用。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-78914-x